i+d de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para...
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I+D de un calorímetro y un detector de tiempo de vuelo para el proyecto R3B en FAIR
Ignacio Durán – EFN06
Grupo Experimental de Núcleos y Partículas (GENP)Universidad de Santiago de Compostela
H.Alvarez-Pol, J.Benlliure, E.Casarejos, D.Cortina, I.Durán, M.Gascón, N.Montes y D.Pérez-Loureiro
Valencia, EFN06 Ignacio Durán
Índice
• FAIR y el proyecto R3B• Califa: estudio y desarrollo resultados previos• ToF-Wall: ideas preliminares• Conclusiones
Valencia, EFN06 Ignacio Durán
FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research )
Nuevo Complejo de aceleradores en GSI Darmstadt (Alemania) 2010.
Haces de núcleos estables, radiactivos y p. Doble sincrotrón +Anillos colisionadores. Mayores intensidades: (1012 iones/s)@ 2-30
GeV/u. Mejor calidad de haces secundarios:
“enfriamiento”.
Programa científico: Estructura nuclear y astrofísica con núcleos exóticos. Física hadrónica con antiprotones. Colisiones entre iones pesados relativistas Física atómica y física de plasmas.
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R3B at FAIR
R3B
Reactions with Relativistic Radioactive Beams
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El proyecto R3B
Requisitos del detector ToF: Identificación isotópica hasta
A=180. Gran aceptancia angular. Alta granularidad.
Detector de tiempo de vuelo (ToF) para iones pesados
Requisitos del calorímetro:– Eficiencia absorción total: Eff > 80%
hasta Eγ=15MeV– Identificación de fotones: ΔEγ /Eγ < 3%– Multiplicidad: σ(Nγ)/<Nγ > < 10%– Energía suma: σ(Esum)/<Esum> < 10%
Calorímetro gamma de absorción total y alta resolución
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Índice
• FAIR y el experimento R3B• Califa: estudio y desarrollo resultados previos• ToF-Wall: ideas preliminares• Conclusiones
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Requisitos del Califa
Especificaciones según R3B Technical Proposal:
Absorción total: Eff > 80% hasta Eγ=15MeVIdentificación de fotones: ΔEγ /Eγ < (3-5)%Determinación de multiplicidad y energía suma: σ(Esum) / <Esum> < 10%
Todo ello integrado dentro de R3B y a un coste razonable!
…lo que nos determina:
-Cristales de gran longitud y con las mejores propiedades disponibles (homogeneidad, linealidad…)-Máxima recolección de luz-Alto rango dinámico en la electrónica de lectura, bajo ruido
Plan del CALIFA 2005-2006: I+D en cristales, lectura, diseño… Final 2006: propuesta técnica detallada Primer trimestre 2007: contratación 2007-2009: construcción y control de producción 2010: primer haz en FAIR/GSI
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Requisitos del Califa
• Como problema adicional del haz relativista, el boost de Lorentz (β≈0.82) aumenta la energía de los gamma hasta un factor Elab ≈ 3.2ECM
• Para calcular la energía CM se requiere una alta resolución en el ángulo polar: alta granularidad ~5000 cristales
(para un ángulo polar cubierto entre 6 y 130 grad)
• La distribución angular deja de ser isótropa, picando hacia delante
ECM = 10 MeVβ = 0.82
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Descripción de la simulación
• Basada en GEANT4 + ROOT• Generador de gammas con boost de Lorentz• Segmentación de acuerdo con la propuesta• Posibilidad de seleccionar diferentes materiales para los cristales y el medio (wrapping, soportes, …)• Cristales separados por 1mm de espacio.• Simulación completa de la pérdida de energía en los cristales del calorímetro.
En verde las trayectorias de los gamma. Los puntos rojos corresponden a interacciones con pérdida de energía en el medio.
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Granularidad y perfil del detector
Resolución angular y perfil óptimo
A partir de la relación entre energías LAB y CM, se calcula la resolución angular requerida: Las curvas muestran la resolución en ángulo polar requerida para que la contribución a la reconstrucción de la energía sea una constante
Perfil ideal para un cristal de tamaño cte. Región crítica alrededor de 35º (0.6 rad)
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Simulación de sucesos
Actualmente estamos trabajando en el desarrollo del barril central, con cristales de CsI(Tl).
Mediante distintos algoritmos de reconstrucción de las trazas de los gammas, calculamos la eficiencia y la resolución en energía, sumando las energías depositadas en cristales contiguos.
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Resolución en energía en función de los algoritmos de reconstruccion
de las trazas
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Desarrollos hardware
Cristales
Estamos tratando de encontrar los límites de la resolución alcanzable con los componentes actualmente disponibles:
PMs versus APDs
Electrónica asociada
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Estudio de los cristales
!?
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La respuesta espectral con FMs
Comparing CsI(Tl) and CsI_pure coupled to different PMs:
UV-extended Borosilicate Green-extended
CsI(Tl)
CsI_pure
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Estudios con APDs
Sensibilidad espectral de los APDs
S 8664 – 10 x 10 mm
Respuesta espectral de los APDs acoplados a los cristales
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Resultados medidos
Datos adquiridos con preamp. Camberra, osciloscopio y programa propio de analisis
de señal
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Resultados medidos
Resumen de resultados obtenidos con cristales de CSI(Tl) de diferentes tamaños
(mejorables mediante control de la temperatura y uso de un preamp. ad-hoc)
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Índice
• FAIR y el experimento R3B• Califa: estudio y desarrollo resultados previos• ToF-Wall: ideas preliminares• Conclusiones
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Tof-Wall en R3B
Requisitos del detector ToF: Identificación isotópica hasta A=180. Amplia aceptancia angular. Alta granularidad.
Detector de tiempo de vuelo (ToF-Wall) para iones pesados
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Identificación isotópica
A=200,E=700MeV/u 15 m de distancia
ToF≈50 ns
σToF < 40 ps
ToF
x3
x1
x2
θBlanco
D
Energía 700 MeV/u
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Requisitos del ToF-Wall TAMAÑO
Fisión de 238U a 500MeV/uGRANULARIDAD
2.1320
1.6015
1.0710
0.545
Diámetro (m)D (m)
2.5 cm garantizan una probabilidad de impacto múltiple inferior al 5%
ToF
Blanco
x3
x1
x2
D
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Propuesta de uso de RPCs
Detectores de ionización gaseosaCampo eléctrico uniforme: (E=V/d≈100 KV/cm)Avalancha de e- de acuerdo con la ley de Townsend.
Modos de operación: Avalancha: Baja amplificación de la mezcla FEE y
amplificación necesarios Streamer: Carga espacial variaciones en el campo.
Recombinación fotones UV nuevas avalanchas (descarga) rápido, pero tiempo muerto muy grande.
Capacidad de tasa: Limitada por la resistencia de los electrodos:
Permanencia de la carga en los electrodos durante un cierto tiempo
El campo efectivo es menor Peor eficienciaMenor resolución
Auto-extinción de la descarga debido a: Alta resistencia de los electrodos. Absorción de los fotones UV. Captura de los electrones más externos
de la avalancha.
E
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RPCs Multi-Gap
Varias placas resistivas equiespaciadas que dividen el gas en diferentes gaps.
El voltaje se aplica a los electrodos exteriores.
Inconvenientes: Mayor complejidad mecánica. Mayor masa interpuesta. Mayor alto voltaje: 2.5 kV/gap
Mejoran la eficiencia y resolución temporal
Nunca usadas para iones pesados!
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Prestaciones de las RPCs
Factores:• Mezcla gaseosa• Tamaño del gap• Número de gaps• Voltaje de operación• Electrónica de lectura
HADES(12C)
67>9540.3
ALICE (MIPS)4899.9100.25
FOPI (MIPS)<739760.3
STAR (MIPS)909060.22
Experimentoσ (ps) ε (%)Nº de gaps
Gap (mm)
Prestaciones de las RPCs Multi-gap
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Propuesta Conceptual
Tres planos de detección rotados 120º
Ocho módulos de 100 x 26 cm2 por plano.
Aceptancia angular mayor del 99% a 600 MeV/u.
σt = 50 ps /plano σttotal = 50/3 ≈ 30 ps
Electrodos de lectura segmentados:10 tiras/módulo de 2.5 cm δx ≈ 3 mm.
Área celda = 12 cm2 impacto múltiple <5%.
Electrodos consecutivos leídos con un mismo preamplificador
out
out
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Prototipos desarrollados
RPC Doble Gap Gap de 300 μm Señal diferencial
G10
Cu
Mylar
Al
Vidrio
Los prototipos construidos están siendo probados con rayos cósmicos.
Tests con haz de iones pesados realizados (Nov 05 y Jul 06)
Análisis en curso
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Resultados de test-beam
Distribuciónes de la carga depositada. Cósmicos – Iones y distintas mezclas y HVs
Ajustes a distribuciones de Poisson
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Conclusiones
• Estamos en ello!